土力学教案设计

土力学教案

第一章土的物理性质及分类

1.1概述

土是由固体颗粒、水、气体三部分组成的三相

体系。

土=土粒（固相）+水（液相）+空气（气相）

1.固相一一包括多种矿物成分组成的土的骨

架。

°2.液相一一主要是水（溶解有少量的可溶盐

类）。

3.、相一一主要是空气、水蒸气，有时还有沼气

等。

°各相的性质及相对含量的大小直接影响土体

的性质，土粒大小和形状、矿物成分及排列和联结

特征是决定土的物理力学性质的重要因素。

土粒矿物成分与土粒大小有关：

粗大土粒：往往保留原生矿物，多呈块状或柱状。

细小土粒：主要是次生矿物，多呈片状。

无粘性土一一当土样中巨粒（土粒粒径大于

60mm）和粗粒（60〜0.075mm）的

含量超过全重50%时属无粘性土。

土中水影响粉性土和粘性土的可塑性、胀缩性、

湿陷性、冻胀性等物理特征。

1.2土的组成

回体颗粒（土粒）

无机矿物颗粒:由原生矿物和次生矿彤组成

土粒＜

有机质

原生矿物：由岩石经物理风化生成的颗粒，它

的成分与母岩的相同，如：石英、长石、辉石、角

闪岩、云母等。

1

特性：颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板

状；吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。

次生矿物：由原生矿物经化学风化生成的新

矿物，它的成分与母岩的完全不同。如：由长石风

化成的高岭石、由辉石或角闪石风化成的绿泥石

等。

°特性：颗粒极细，且多呈片状；性质活泼，有

较强的吸附水能力(尤其是由蒙脱石组成的颗粒),

具塑性。遇水膨胀。

粗大土粒一般是化学性质较稳定的原生矿物

颗粒，有单矿物颗粒和多矿物颗粒两种形态。

细小土粒主要是次生矿物颗粒和生成过程中

介入的有机物质。

二、土粒粒度分析方法

土是由大小不同的土粒组成的。土粒的大小、形状、

矿物成分和级配对土的物理性质有明显影响。土粒

的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发

生变化O例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性

变化到有粘性。

()几个概念

粒度一一土粒蔺大小称为粒度，常以粒径表示。

粒组一一界于一定粒度范围内的土粒，称为粒组。

界限粒径一一划分粒组的分界尺寸。

常用粒组的界限粒径：(根据国标《土的分类

标准》(GBJ145-90))

200mm,60mm,2mm,0.075mm,

0.005mm

200、60、2.

0.0750.005mm

20、50.5.0.25.0.1

0.01

2

漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾、砂

砾、粉粒、粘粒。

（二）土的颗粒级配

1.土的颗粒级配（粒度成分）一一土中各个

粒组的相对含量（各粒组占土粒总重的百分数）。

土粒的组合情况一一大大小小土粒含量的相

对数量关系

2.确定麻粒组相对含量的方法

（1）颗粒分析试验

①筛分法，0.075mm粒径60mm的粗粒组

将风干、分散的代表性土样通过一套自

上而下孔径由大到小的标准筛，称出留在各个筛

子上的干土重，经计算可得小于某一筛孔直径土

粒的累积重量及累计百分含量。

②沉降分析法，比重计法和移液管法，粒径

<0.075mm的细粒组（下沉速度）

土粒下沉速度与粒径的理论关系，用比重计

法或移液管法测得颗粒级配。

土粒下沉时的速度与土粒形状、粒径、质量密度以及水的粘滞度有关。

土粒的沉降速度可以用G・G・斯葛克斯（Stokes,1845）定律计算：

P%、—pw12

式中v---土粒在水中的沉降速度，cm/s；

g—重力加速度，981cm/s2；

P、、d---土粒的密度，g/cn?和直径，cm；

P八7———水的密度,g/cn?和粘滞度，107pa・s

p-=彳和&=G,pg〜G,p.

上式可变换为：

水的V值由温度确定

土粒沉降距离心处悬液密度，可采用密度计法（即比重计法）或移液管法测得,

并可由此计

算出小于该粒径4的累计百分

含量。采用不同的测试时间，，即可测得细颗粒各粒组的相对

含量

沉降法。假定土粒为球体颗粒，实际上土粒并不是

3

球体颗粒，因此计算得的粒径并不是实际土粒尺

寸，而是与实际土粒在液体中的相同沉降速度的

理想球体的直径（称为水力当量直径）。

（2）试验成果一一颗粒级配累积曲线

级配累积曲线采用半对数坐标：土粒粒径相

差常在百倍、千倍以上，宜采用半对数坐标表示。

\[zAlA-fcT，纵坐标一小于某粒径的土质量含量（%X或称累计百分含量）

千姒军怀I横坐标一对数坐标一±#立粒径Gnm）

曲线分析：

曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较

均匀；

曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀,

即级配良好。

不均匀系数c〃=%

判别土体级配好坏的指标;4。

曲率系数G尸

“6()40

4。（有效粒径）一一小于某粒径的土粒质量累

计百分数为10%时相应的粒径;

（中值粒径）小于某粒径的土粒质量累

计百分数为30%时相应的粒径;

九（限制粒径）一一小于某粒径的土粒质量累

计百分数为60%时相应的粒径。

不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况。

越大表示土粒大小的分布范围越大、其级配越好,

作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的

密实度Q

曲篆系数描写累积曲线的分布范围，反映曲

4

“一般£程上为均粒土，属级配不良；

的土属级酣良好C

级配连续土：曲线聿滑，没有台阶；采用指标

即可判断级配好坏；

级配不连续：曲线呈台阶状；采用单一指标

难以判断级配好坏。

砾类土和砂类土当同时满足25,=1〜3时则为

良好级配砾或良好级配砂。否则，级配不良。

级配良好：曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不

均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些

性质。对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被

较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应

的地基土的强度和稳定性也较好.透水性和压缩

性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方

土料。

三、土中的水和气

1.土中水

结合水一一是受电分子吸引力吸附于土粒表面的

土中永。

强结合水（吸着水）一一紧靠土粒表面的结合

水膜，牢固地结合在土粒表面，其性质相当于固

体。没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，只

有吸热变成蒸汽时才能移动。

弱结合水（薄膜水）一一紧靠强结合水外围的

结合水膜，不能传递静水压力，但较

厚的弱结合水膜能向邻近较薄的水

5

膜缓慢转移。当土中有较多弱结合水

时具有一定的强塑性。弱结合水离土

粒表面愈远，受到的电分子吸引力

愈弱，并逐渐过渡到自由水。弱结合

水的厚度，对粘性土的粘性特征及

工程性质影响很大。

自由水一一不受土粒表面电场影响，能传递

静水压力。

重力水一一存在于地下水位以下，重力水的渗流

特征，是地下工程排水和防水工程的主要控制因

素，对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑

地下构筑物有重要影响。

毛细水一一存在于地下水位以上，毛细水的

上升高度与土粒粒度成分有关;上升高度和速度对

于建筑物地下部分的防潮措施和地基土的浸湿、冻

胀等有影响。

2.土中气体

封闭气体为与大气隔绝的气体，它使土在外力作

用下的弹性变形增加，透水性减小。

非封闭气体在外力作用下，连通气体排出，对土的

性质影响不太。

四、粘土颗粒与水的相互作用

P14

五、土的结构和构造

1.土的结构一一指土粒的原位集合体特征,

6

是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关

系等因素形成的综合特征。

［单粒结构一一常见于砂土、碎石土

土的结构蜂窝结构——以粉粒为主的土

絮状结构——是粘性土的主要结构形式

(1)单粒结构一一由粗大土粒在水中或空气中下

沉形成的。为碎石类土和砂类土的结构特征。

紧密的单粒结构的土在荷载作用下沉降小、强

度较大、压缩性较小，是良好的天然地基。

疏松的单粒结构土，在外力作用下易移动，孔隙减

少，变形大，需处理做为人工地基。

(2)蜂窝结构

粒径0.075〜0.005mm的土粒在水中沉积时以单个

土粒下沉，当碰上已沉积土粒时(它们之间的相互

引力大于其重力)就停在最初接触点不再下沉，逐

渐形成土粒链，组成弓架结构，最后形成孔隙大的

蜂窝结构；当承受较高荷载时，结构破坏，产生严

重沉降。

(3)絮状结构

细小的粘粒(粒径小于0.005mm)或胶粒(粒径

小于0.002mm)重力小，在水中不因自重而下沉,

主要受粘土颗粒与水作用产生的粒间作用力。粒间

作用力有排斥力和吸引力，且均随粒间距离减小

而增加，但增长速率不相同。总的吸引力大于排斥

力时为净吸力，反之为净斥力。

2.土的构造

土的构造一一指土层中的物质成分和颗粒大小等

都相近的各部分之间的相互关系的特征。

7

层理构造一一土在生成过程中，由于不同阶段沉

积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈

现的成层特征，有水平层理构造和交错层理构造。

裂隙构造一一如，柱状裂隙。强度和稳定性降低,

透水性大,对工程不利。

【本次课总结】

1.土是由固体（土粒）、液体（水）和气体（空气）

二相所组成.

r粒径级配'曲线的特点及用途；

3.常见土的结构及构造形式。

【复习思考】

1.粘土颗粒表面哪一层水膜对土的工程性质影响

最大，为什么?

2.为什么土的级配曲线用半对数坐标?

1.3土的三相比例指标

反映着土的物理状态，如干湿软硬松密等。表

示土的三相组成比例关系的指标，统称为土的三相

比例指标。

1.土的三相图

8

【注意】土的三相图只是理想化地把土体中的三相

分开，并不表示实际土体三相所占的比例。

一、指标的定义

1.三项基本物理性质指标

土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过

土工试验测定，亦称直接测定指标。

①土的密度。一一土单位体积的质量（单位为

g/cm3/tn3）

m

P=—丫=两

试验测定方法：环刀法

一般粘性土夕=1・8〜2.0g/c〃/；砂土夕=1.6

=

2.0g/cnr；腐殖p1.51.7^/cnr；

土粒比重（土粒相对密度）一一土粒的质量与

同体积4oC纯水的质量之比。，无量纲。

P、一—土粒密度（gQ

——纯水在时的密度（单位体积的重量），等

于或。

试验测定方法：比重瓶法

实际上：土粒比重在数值上等于土粒密度，前者无

因次。同一类土，其比重变化幅度很小，通常可按

经验数值选用。见下表。

土粒比重参考值

粘性土

上的名称砂士加1

粉质粘土粘土

土粒比重2.65〜2.692.70-2.712.72-2.732.74-2.76

9

【课堂讨论】相对密度（比重）与天然密度（重度）

的区别

注意：从公式可以看出，对于同一种土，在不同的

状态（重度、含水量）下，其比重不变；

③土的含水量（一一土中水的质量与土粒质量之

比，以百分数表示：

67=^X100%

般：同一类土，当其含水量增大时，其强度就

降低。

试验测定方法：烘干法（湿，干土质量之差与

干土质量的比值）

【讨论】含水量能否超过100%?

——从公式可以看出，含水量可以超出

100%o

2.特殊条件下土的密度

①饱和密度和饱和重度

饱和密度一一（土孔隙中充满水时的单

位体积质量）土体中孔隙完全被水充满时的土

的密度：。（）

②饱和重度：sat=g（kN/m3）o

③和干重度

干密度一一单位体积中土粒的质量：，

（kg/m3,g/cm3）。

④干重度一一单位体积中土粒的重量：=（dg,

（kN/m3）o

在工程上常把干密度

10

作为评定土体密实程度的指标，以控制填土

工程的施工质量。

有效重度(浮重度)一

一单位土体积中土粒的质量扣除同体积水的

质量即为单位土体积中土粒的有效质

量，称为土的有效密度

叫一匕心

p'=

V

,(kN/m3)o

同样条件下，上述几种重度在数值上有如下关系；

3.描述土的孔隙体积相对含量的指标

测出上述三个基本试验指标后，就可根

据三相图，计算出三相组成各自的体积上和质量

上的含量，并由此确定其它的物理性质指标，即导

出指标。

孔隙比一一土中孔隙体积与土粒体积之

比，用小数表示：

孔隙比是评价土的密实程度的重要物理

性质指标。

①天然状态下土的孔隙比称为天然孔隙比，它

是一个重要的物理性指标，可以用来评价天

然土层的密度程度。一般e<0.6的土是密实的

低压缩性土,e>1.0的土是疏松的高压缩性土。

孔隙率一一土中孔隙体积与土的总体积之

11

比，以百分数表示：100%

孔隙率亦可用来表示同一种土的松、密程

度。

②一般粘性土的孔隙率为30〜60%,无粘性土

为25〜45%。

饱和度一一土中所含水分的体积与孔隙体积之比

(以百分率计)，饱和度可描述土体中孔隙被水

充满的程度：

显然,干土的饱和度Sr=0,当土被完全饱和状态时

Sr=100%o砂土根据饱和度可划分为下列三种

湿润状态：SrW50%稍湿，50%<Sr^80%

很湿,Sr>80%饱和。

【讨论】孔隙比、孔隙率、饱和度能否超过1或

100%?

二、指标的换算

已知：((()，,(----->e,n,Sr,(sat((sat),(d

((d),等的表达式。

推导间接指标的关键在于：熟悉各个指标的定义

及其表达式，能熟练利用土的三相简图。

令，

则，，，，

推导：

V\+e

12

由(b)式，

c〃八+匕夕“，_Gspw+epw_(Gt+e)pw

一=^^=1+,=~

加，一Vspw__ms-(y-匕)。w_ms+Vvpw-Vpw_

P=-v-=v=v=P'LPw

_(G-

1+e

—

V1+e

s二匕二，吗，二卬Gj4二wG,

「一匕一匕。“一匕2,一e

注意：此时e已是“已知”的指标。根据各间接指

标的定义，利用三相简图可求得：

土的三相比例指标换算化式一并列于下表。

【本次课小结】

1.各指标的定义；

2.利用三相图进行指标间的相互换算。

【复习思考】

1.在土的三相比例指标中，哪些指标是直接

测定的？用何方法？

2.在三相比例指标中，哪些指标的数值可以

大于1,哪些不行？

13

士的三相比例指标换算公式

名称符号三相比例表达式常用换算公式单位常见的数值他国

粘性土t2.72-2.75

「S«

土位比重G.粉土：2.70-2.71

G尸砧；G.=—w

砂土：2.65〜2.69

S,e

W=G；

含水量WW=~X1OOJZO20%〜60%

w=»—■一1

P6

P*=pd(1+w)

m

«度PG(1+w)g/ciD31.6〜2.0

P-1+eP"

5击

干密度沁g/cn?1.3〜L8

俏G

Pd=IT；外

G-e3

£和密度p»t4v4=1^7公g/cm1.8〜2.3

“LRr

浮密度'v，G・Tg/cm10.8~1.3

d=T?78

5

«度7y=p・gkN/m16〜20

为=生儿

干重度7d〃=0d•gkN/mJ13-18

V_G.+e

饱和重度入=•g7-l+JwkN/nP18〜23

浮重度rkN/m38〜13

•gl+e”

e■27

V,粘性土和粉土：0.40〜1.20

孔隙比ePi

FGt(l+w)外,砂土：0.30-0.90

ep1

nearfc

粘性土和粉土：〜

孔隙率nn=^-Xl00%30%60%

”=1-谶砂土：25%〜45%

苧

SL04Sa50%稽湿

饱和度Sr5r=~X100%50<Sr480%很湿

80<5,<100%饱和

注：水的重度兀r=々4=1t/m3X9.807m/s2=9.807X103(kg•m/力/m3=9.807XJO3N/m3^

10kN/m\

［例题］

1.某土样重180g,饱和度=90%,土粒比重，烘干后重135g,试计算土样的天然

重度和孔隙比。

解：

法一：

^=^=180-135

ms135

14

m

，•二夕g="g=r•.v=lU.UkN//

\+e

法二:

mw=180-135ms=135g

V%V=—

S「

PW

yw

匕

1.4无粘性土的密实度

无粘性土一般是指砂（类）土和碎石（类）土；一

般粘粒含量少，不具可塑性，呈单粒结构。

砂土密实度划分方法：

1.按天然孔隙比划分

按天然孔隙比e划分砂土密实度（TJ7-74）

^实度

密实中密稍«松散

±类

砾砂、粗砂、中砂e<0.600.60<*<0.750.75V/&0.85e>0.85

细砂、粉砂e<0.700.700&0.850.85<e40.95e>0.95

要求：采取原状砂土样

不足：采样困难，且难以有效判定密实度

的相对高低。

2.相对密（实）度

“ax

p—P

maxmin

砂土在最松散状态时的孔隙比，即最

大孔隙比;

砂土在最密实状态时的孔隙比，即最

小孔隙比；

e一—砂土在天然状态时的孔隙比。

当，表示砂土处于最松散状态；

15

,表示砂土处于最密实状态。

砂土密实度表（JTJ024-85）

松散

分级密实中密

科松极松

D,Q,?O.670.67>A>0,330.33>D,>0.20DV0.20

根据三相比例指标间换算，、和

分别对应有、和，则

D--Pdmin)

夕d(Pdmax—Pdmin)

优点：理论完善，能合理判定砂土的密实度状态。

不足：测定（或）和（或）的试验方法

存在问题，对同一种砂土的试验结果离散性大。

3.标准贯入试验

砂土根据标准贯入试验的锤击数N分为松散、

稍密、中密及密实四种密实度；

按标贯击数N划分砂土密实度（GB5OOO7）

宓实度密实中密精密松散

标货击数NN>30302N>1515>^>10N<10

按实测平均N划分砂土密实度（JTJO24—85）

密实度密实中密稍松一极松

标贯击数N50〜3029〜109~5<5

4.按重型动力触探击数划分（碎石土）

按重型（圆锥）动力触探试验锤击数划分如

下：

按重型动力触探击数划分碎石土密实度（GB5OOO7）

密实度一|格实|中,[稍密•|松散

N63.S।岫3.5>30|302丁63.$>151154N-5>7IN63.5W7

本表适用于卵石、碎石、圆砾、角砾。

5.野夕卜鉴另！]（碎石）

对于大胡粒含量较多的碎石土，一般对于漂石、块

石以及粒径大于200mm的颗粒含量较多的碎石类

土，密实度很难做室内试验或原位触探试验，一般

采用野外鉴别方法来划分为：密实、中密、稍密、

松散。如P26表。

16

1.5粘性土的物理特征

一、粘性土的可塑性及界限含水量

粘性土由于含水量的不同，分为固态、半固

态、可塑状态和流动状态，这即是粘性土的稠度状

态。

界限含水量一一粘性土由一种状态转到另一

种状态的分界含水量，也即各稠度状态间的临界

含水量，以百分数表示。

可塑性当粘性土在某含水量范围内，用

外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当处力移去

后仍能保持形状的性能。

回体状态半固体状态可塑状态

流动状态

液限土由可塑状态到流动状态的界限含

水量称为，用表示，我国采用锥式液限仪来测

定。其工作过程是：将粘性土调成均匀的浓糊状,

装满盛土杯，刮平杯口表面，将76克重圆锥体轻

放在试样表面的中心，使其在自重作用下徐徐沉

入试样，若圆锥体经5秒种恰好沉入10mm深度,

这时杯内土样的含水量就是液限值。为了避免放

锥时的人为晃动影响，可采用电磁放锥的方法。

塑限一一土由半固态到可塑状态的界限含水

量，用表示，用“搓条法”测定。即用双手将天然

湿度的土样搓成小圆球（球径小于10mm）,放在

毛玻璃板上再用手掌慢慢搓滚成小土条，用力均

匀，搓到土条直径为3mm,出现裂纹，自然断开,

这时土条的含水量就是塑限值。

缩限土由半固体状态不断蒸发水分到体积不

再缩小时土的界限含水量，用表示。

17

注意：塑限、液限、缩限是一个含水量

二、粘性土的可塑性指标

粘性土可塑性指标除了塑限、液限、缩限外，还有

塑性指数和液性指数等指标。

①塑性指数一一指液限和塑限的差值（省去%号）,

即土处在可塑状态的含水量变化范围，用表示。

Ip=-注意：计算时含水量要去百分号

结论:塑性指数表示土处在可塑

状态的含水量变化范围，显然，塑

性指数愈大，土处于可塑状态的含

水量范围也愈大。塑性指数的大小与

土中结合水的可能含量有关，土中

结合水的含量与土的颗粒组成、矿物

组成以及土中水的离子成分和浓度

等因素有关。其值的大小取决于土颗

粒吸附结合水的能力,亦即与土中粘

粒含量有关。粘粒含量越多，土的比

表面积越大,塑性指数就越高。

应用：根据其值大小对粘性土进行

分类。

②液性指数一一粘性土的天然含水量

和塑限的差值与塑性指数之比。用

表示。土质愈软；反之,

土质愈硬。

18

(0-COCO-CD

_______rn_rn

L；

h^L~MP

(OY叫)IL<0坚硬状态

0<//<1可塑状态

(①A①L)L>1.流动状态

用途：根据其值大小判定土的软硬状态

粘性土的状态(GB50007)

状态~5区—'一品言—可塑软朗;流一

质性指数Z1X0I0<ZLC0.250.25<ZL<0,750.75</L<1-0ZL>1.0

粘性土的状态按液性指数的划分(JTJ024-85)

可费状态

分级坚硬、半坚硬状态流熨状态

硬塑软塑

液性指数ZL<00<ZL<0.50.5<ZL<1.0

注：粘性土界限含水量指标、都是采用重塑土

测定的，它是天然结构完全破坏的重塑土的物理

状态界限含水量。因此，保持天然结构的原状土,

在其含水量达到液限以后，并不处于流动状态。

三、粘性土的结构性和触变性

L结构性

结构性一一指天然土的结构受到扰动影响而

改变的特性。一般用灵敏度衡量。当土受到扰动时,

土的平衡体系破坏，土的强度降低和压缩性增大。

灵敏度一一以原状土的强度与该土经重塑(土

的结构性彻底破坏)后的强度之比来表示。重塑试

样与原状试样具有相同的尺寸、密度和含水量。

对于饱和粘性土的灵敏度可按下式

计算:

原状试样的无侧限抗压强度，kPa;

19

——重塑试样的无侧限抗压强度，kPao

根据灵敏度将饱和粘性土分为：

1<5.<2低灵敏

2<5,<4中灵敏

S,〉4高灵敏

土的灵敏度越高，其结构性越强，受扰动后土的强

度降低越多。

2触变性

触变存一一粘性土的结构受到扰动，导致强度降

低，但当扰动停止后，土的强度又随时间而逐渐

增大，粘性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体

化学性质称为土的触变性。

四、粘性土的胀缩性、湿陷性和冻胀性

1知?吐+的账缩性

病性土由于含汞量的增加而发生体积增大的

性能称膨胀性；由于土中水分蒸发而引起体积减少

的性能称收缩性；两者统称胀缩性。

粘性土的膨胀性和收缩性对基坑、边坡、坑道

及地基土的稳定性有着很重要的意义。

(1)膨胀性(expansibility)

粘性土的膨胀性常用下列指标表示:

①自由膨胀率：原状土样膨胀后体积

的增量与原体积之比，以百分率表示。

。

A——xlOO%

匕一匕

一—试样初始体积,取量土杯的容积

为10ml；

膨胀稳定后测得50mL容积的量筒

内试样体积，mlo

②常用线膨胀率：

式中：一一土样原来的高度,cm

20

土样膨胀稳定后的高度,cm

膨胀系数一若直接以小数表示时，称膨胀系

数。

较小的膨胀土，膨胀潜势较弱，建筑物损坏轻

微；高的土，具有强的膨胀潜势，则较多建筑物

将遭到严重破坏。

(2)收缩性(shrinkage)

粘性土的收缩性是由于水分蒸发引起的。

当土中含水率小于收缩限Ws时，土体积收缩

极小；随着含水率的增加，土体积增大，当含水率

大于液限时，土体坍塌。

表征粘性土的收缩性指标有：

①体缩率es:试样收缩减小的体积与收

缩前体积的比值。以百分率表之。

4二及二^、100%

火中:VO——收缩前的体积,cm3

V——收缩后的体积,cm3

②线缩率esl：试样收缩后的高度减小量

与原高度之比，以百分率表之。

G=^^xlOO%

式申：/“------试样原始高度,cm

——试样经收缩后的高度,cm

2.土的湿陷性

土的湿陷性一一指土在自重压力作用下或

自重压力和附加压力综合作用下，受水浸湿后，使

土的结构迅速破坏而发生显著的附加下陷特征,

以湿陷系数值衡量，由室内压缩试验测定。

eJi；

一压缩仪中原状试样加压压缩稳定后的试

21

样高度

——压缩仪中原状试样加压压缩稳定后，再

加水浸湿下沉稳定后的高度；

%——土样的原始高度。

对黄土：，为非湿陷性黄土；

,为湿陷性黄土。

土的冻胀性

主3.的冻宸性一一指土的冻胀和冻融给建筑物或土

工建筑物带来危害的变形特性0

危害：使路基隆起，使柔性路面鼓包、开裂、倾斜、

甚至倒塌；解冻后土层软化，强度降低。

1.6土的分类标准

一、土的分类原则

土的分类体系就是根据土的工程性质差异将

土划分成一定的类别。

两大类土的工程分类体系：

1.建筑工程系统的分类体系：侧重于把土作为建

22

筑地基和环境，以原状土为基本对象。注重土的天

然结构性。

2.工程材料和系统的分类体系：侧重于把土作为

建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基等工程。以

扰动土为基本对象，注重土的组成，不考虑土的天

然结构性。

土的分类标准

国标《土的分类标准》

(GBJ145-90)的分类体系：

厂fitt±<

I麻石

C畿合巨敕土

含巨做的土<

［无机土《I巨触混合土

林+｛砾类土

厂一般土1砂类土

<»±

g-Q土

工程用土V-有机土

黄土

(特殊士

【红帖殳等

土的总分类体系

1.巨粒土和粗粒土的分类标准

(1)几个概念

巨粒：粒径的土粒；

巨粒土：

含巨粒的

±:混合巨粒土：

巨粒混合土：

粗粒土：砾类土：

砂类土：

(2)分类

巨粒土和含巨粒的土的分类

±类粒组含量土代号土名称

巨粒(d>60mm)漂石粒W>200mm)>50%B漂石

巨粒土

含量100%〜75%漂石粒工50%Cb卵石

混合巨粒含量漂石粒>50%BSI混合土漂石

巨粒土<75%,>50%潦石粒工50%CbSl混合土卵石

巨粒巨粒含量黑石粒,卵石粒(4460〜200mm)SIB煤石混合土

混合土50%〜15%漂石粒《卵石粒SICb卵石混合土

23

殊类土的分类（2mmVd460mm砾粒组含量>50%）

粒组含量土代号土名称

细粒含量级附：95,C-1〜3GW级配良好砾

<5%级相：不同时满足上述要求GP级配不良砾

9K土砾细粒含量5%〜15%GF含细粒土砾

细粒含量细粒为粘土GC粘土质碌

>15%,《50%细粒为粉土GM粉土质砾

件：细粒粒组包括粉枝（0.005mm<«/<0.075mm）和粘粒（d40.005mm）.

砂类土的分类（砾粒组含量£50%）

-类粒组含最土代号土名称

细粒含量级配：05,G=1〜3SW级配良好砂

眇

V5%级配：不同时满足上述要求SP级配不良砂

£粒土砂细粒含量5%〜15%SF含细粒土砂

细粒含疑细粒为粘土SC粘土质砂

鱼纥土质砂

>15%,<50%细粒为粉土SM粉土质砂

2.细粒土的分类标准

细粒土一一试样中粗粒组（0.075m???<d<6O/77Z??）含

量少于25%的土。

含粗粒的细粒土一一试样中粗粒含量为

25%〜50%的土。

当采用我国锥式液限仪测定液限时，利用塑

性图（或下表）进行分类：

60

50

40

30

20

10

塑性图（采用锥式液限仪）望性图（采用碟式液限仪）

24

细粒土的分类

土的弧性指标在期性图中的位置

土代号土名称

塑性指数I?液限WL（%）

_---

WL^40CH高液限粘土

Zp>0.63(WL-20)和

w.<40CL低液限粘土

——

WL)40MH阖液限粉土

/P<0.63(WL-20)和"<10

W.<40ML低液限粉土

两条经验界限：

斜线为A线，作用是区分有机土和无机

土、粘土和粉土,A线上侧是粘土，下侧是粉土，竖

线为B线，作用是区分高塑性土（高液限土）和低

塑性土（低液限土）。

在A线以上的土为粘土：

液限大于40的士称为高塑性粘土CH,液限小于

40的为低塑性粘土CL；

在A线以下的土为粉土：

液限大于40的士称为高塑性粉土

MH,液限小于40的为低塑性粘土ML；

若土样处于A线以上，而塑性指数在7〜10之间,

则土的分类应给以相应的搭界分类CL-MLo

含粗粒的细粒土分类：按塑性图并根据所含粗粒

类型进分分类

（1）当粗粒中砾粒占优势，称为含砾细粒土,

在细粒土代号后缀加G,例

含砾低液限粘土，代号CLG；

（2）当粗粒中砂粒占优势，称为含砂细粒土,

在细粒土代号后缀加S,例

含砂高液限粘土，代号CHS；

25

若细粒土内含部分有机质，则土名交加“有机质”,

对有机质细粒土的代号后缀代号为O,例，低液限

有机质粉土，代号MLO。

1.7地基土的工程分类

1.按沉积年代和地质成因划分

地基土按沉积年代可划分为：①老沉积土:

第四纪晚更新世及其以前沉积的土,般呈超固

结状态。②新近沉积土：第四纪全新世近期沉积的

土，一般呈欠固结状态。

根据地质成因可分为：残积土、坡积土、洪积

土、冲积土、湖积土、海积土、淤积土、风积土和

冰积土等。

2.按颗粒级配（粒度成分）和塑性指标划分

土按颗粒级配和塑性指标分为：碎石类土、砂

土、粉土和粘性土。

地基土的分类是根据不同的原则将其划分为

一定的类别，同一类别的土在工程地质性质上应

比较接近。土的合理分类具有很大的实际意义，例

如根据分类名称可以大致判断土的工程特性、评价

土作为建筑材料的适宜性及结合其他指标来确定

地基的承载力等。

作为建筑场地和地基的土的分类一般可按下

列原则进行：

1、根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪

积土、冲积土、风积土等。

2、根据颗粒级配或塑性指数可分为碎石土、

砂土、粉土和粘性土。

3、根据土的工程特性的特殊性质可分为一般

土和特殊生。

（1）无粘性土

26

无粘性土一般指碎石土和砂土。

碎石土——粒径大于2mm的颗粒含量超过全

重的50%的土。

碎石土根据粒组含量及形状按下表分类。

碎石土分类

上的名称翦粒形状颗粒级配

9石圆形及亚谡形为主

粒径大亍200mm的颗粒含量超过全重50%

成石校角形为主

随石圆形及亚尻形为主

粒径大于20mm的颗粒含量超过全重50%

碎石校角形为主

3E砾圆形及亚圆形为主

粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%

用砾校角形为主

注，定名时应根据颗粒缓配由大到小以最先符合者确定.

砂土——粒径大于砂土分类

2mm的颗粒含量不超过上的名栋麒粒级配

砂粒径大于2mm的颗粒含鱼占全血25%〜50%

全重50%、且粒径大于毛砂粒径大于。.5mm的颗粒含量超过全重50%

0.075mm的颗粒超过全重*砂粒径大于25mm的颗粒含址超过全重50%

走砂粒径大于0.075mm的限粒含量超过全重85%

50%的土。叱砂粒径大于“075mm的U粒含量超过全贪50%

砂土按粒组含量(颗粒级注：定名时应根据颗粒圾配由大到小以最先符合者确定.

配)分类如下表。

(2)粉土：介于无粘性土与粘性土之间，是指粒

径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%,塑

性指数的土。

可根据颗粒级配分为粘质粉土和砂质粉土:

粉土的颗粒级配中0.05—0.1mm和0.005—

0.05mm的粒组占绝大多数，而水与土粒之间的作

用是明显不同于粘性土和砂土，这主要表现〃粉粒

〃的特性。其工程性质介于粘性土和砂土之间。若

用含水量接近饱和的粉土，团成小球，放在掌上

左右反复摇幌，并以另一手震击，则土中水迅速

渗出，并呈现光泽，这是野外鉴别时常用方法之

27

(3)粘性土

粘性土是一一指塑性指数的土。粘性土

粉质粘土10Y/p417

［粘土：/P>17

(3)特殊土

特殊土一一具有一定分布区域或工程意义，具有

特殊成分状态和结构特征的土。有湿陷性土、红粘

土、软土(包括淤泥、淤泥质土、泥炭质土、泥炭

等)、混合土、填土、冻土、)胀岩土、盐渍岩土、

风化岩和残积土、污染土等。

二、公路桥涵地基土的分类

三、公路路基土的分类

第二章土的渗透性及渗流

2.1概述

渗透性(透水性)一一土体被液体透过的性质O

渗透一一在水位差作用下，水透过土体孔隙

的现象。

渗流一一液体在土孔隙或其他透水性介质中

的流动。

土的渗透性研究包括三个方面：

(1)渗流量：如渗水量及排水量计算；

(2)渗透破坏问题：渗流力一一渗流对土颗粒施

加的作用力。

28

渗流力过大使土体产生渗透变形，甚至渗透破坏,

如边坡破坏，地面隆起，堤坝失稳等。

（3）渗流控制问题：如降低水位差，防渗等。

2.2土的渗透性

一、土的层流渗透定律

（1）达西定律

试验发现：单位时间内的渗出水量与

水力梯度和圆筒断面积A成正比，且与土的透

水性能有关，即

q=kiA

,=』=心

AL

——试样两端的水头差，cm或叱

L---渗径长度；cm或m；

k―-渗透系数,cm/s或m/d；其物理意义是当水力

梯度i等于1时的渗透速度;

（2）达西定律的适用范围与起始水力坡降

对于密实的粘土：由于结合水具有较大的粘

滞阻力，只有当水力梯度达到某一数值，克服了结

合水的粘滞阻力后才能发生渗透。

起始水力梯度一一使粘性土开始发生渗透时

的水力坡降。

粘性土渗透系数与水力坡降的规律偏离达西定律

而呈非线性关系，如图（b）中的实线所示，常用虚

直线来描述密实粘土的渗透规律。

v=k（i-ih）

式中密实粘土的起始水力坡降:

29

对于粗粒土中（如砾、卵石等）：在较小的i

下,v与i才呈线性关系，当渗透速度超过临界流速

vet时，水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度

与水力坡降呈非线性关系，如图（C）所示，此时,

达西定律不能适用。

土的渗透速度与水力梯度的关系

Q）砂土，3）密实粘土jQ）砾土

【注意】由上式求出的V

是一种假想的平均流速，假定水在土中的渗透是

通过整个土体截面来进行的。土粒本身是不能透水

的，故真实的过水断面面积应小于整个断面积，

所以实际平均流速大于（假想平均流速），关

系如下：

q=vA=vrAr

若均质砂土的孔隙率为，则

vAv

Vr~~nA~~n

二、渗透试验与渗透系数

渗透系数是一个代表土的渗透性强弱的定量指标,

也是渗透计算时必须用到的一个基本参数。

1.渗透系数的确定

主要分现场试验和室内渗透试验两大类，一

般说，现场试验比室内试验所得到的成果要准确

可靠。

（1）菱验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂

性土

30

变水头试验法，透水性小的无粘性土

①常水头试验

适用：透水性大(k>10-3cm/s)的土，例如砂土。

常水头试验就是在整个试验过程中，水头保持不

变。试验时测出某时间间隔t内流过试样的总水量

,根据达西定律

Q=qt=kiAt=k—At

即

常水头试验装置

②变水头试验

适用：渗透系数很小的土，如粘土。

粘性土由于渗透系数很小，流经试样的总水

量也很小，不易准确测定。因此，应采用变水头试

验。

变水头试验就是在整个试验过程中，水头随

时间而变化的一种试验方法。设细玻璃管的内截面

积为，试验开始后任一时刻变水头的水位差

为